激光与物质相互作用第一讲序论

1、激光与物质相互作用第一讲序论第1页，共51页，2022年，5月20日，2点24分，星期五序论二、激光与物质相互作用的发展三、课程相关信息一、激光与物质相互作用概述第2页，共51页，2022年，5月20日，2点24分，星期五一、激光与物质相互作用概述激光熔覆系统与工艺第3页，共51页，2022年，5月20日，2点24分，星期五 平行的 单色的 相干的 高功率密度 非接触 无磨损 高精度a) 激光激活介质 (气体, 固体 或 半导体)b) 激励源 (泵浦灯, 半导体 或 放电激励)c) 光学谐振腔 (全反和部分反射镜) 发散的 多色的 不相干的电灯泡激光束Light Amplification b

2、y Stimulated Emission of Radiation（LASER）辐射受激发射光放大（激光）c)c)b)a)产生特性优势 激光是一种能在空间上和时间高度集中的电磁波。第4页，共51页，2022年，5月20日，2点24分，星期五1.1 激光与物质相互作用定义 激光束投射到物质表面（或内部）时，部分能量被反射，部分被吸收，部分被传递出去，光能以电子和原子的振动激发形式被吸收，从而发生能量的转移与传递，能量转移与传递引起各种物理、化学和生物等效应与过程，从而由此引出了很多新的应用。 什么是激光与物质相互作用？第5页，共51页，2022年，5月20日，2点24分，星期五1.2 激光与物

3、质相互作用内涵(1) 激光束（能量光电子）(a) 激光的特性(b) 激光的参数描述(c) 激光的选择(2) 投射过程(a) 激光束的空间特性(b) 传输与聚焦方式第6页，共51页，2022年，5月20日，2点24分，星期五(3) 作用对象：物质(a) 物质类型：透明、不透明金属、非金属熔凝材料、等离子体、生物组织等(b) 物质特性：光学特性：反射、透射、吸收等热学特性：比热容、热传导率、 热扩散率等第7页，共51页，2022年，5月20日，2点24分，星期五(4) 能量转移和传递过程(a) 转移过程：光能转化热能光能直接作用在微观粒子上(b) 传递过程：热传导、对流、传质第8页，共51页，20

4、22年，5月20日，2点24分，星期五(5) 神奇的效应（a）物理效应：升温、相变、熔化、气化激光诱导化学反应(b) 化学效应：(c) 生物效应：光动力、光去除(d) 激光等离子体(e) 超强超快激光作用第9页，共51页，2022年，5月20日，2点24分，星期五(6) 产生的应用（a）激光材料加工：热处理、焊接、切割、打孔等沉积薄膜、纳米材料(b) 激光制备新材料：(d) 激光军事应用：高能武器、核聚变等(e) 激光生物医学：美容、手术、诊断、生物学等(f) 激光光谱、激光探测等微纳制造、探索微观结构(c) 超强超快激光：第10页，共51页，2022年，5月20日，2点24分，星期五物理化学

5、生命科学技术激光微量元素检测光谱相干控制激光冷却激光催化飞秒化学标准确定光学信号处理激光视力测试激光美容激光手术材料加工通讯技术时间同步牙科应用激光与物质相互作用是激光应用的重要基础。1.2 为什么学习激光与物质相互作用(a) 激光应用基础第11页，共51页，2022年，5月20日，2点24分，星期五(b)-激光技术的发展发光前发光后1. 受激辐射2. 调Q、锁模、倍频等技术的发展都是光与物质相互作用的结果。 激光与物质相互作用的成果可以促进激光器件技术的发展。第12页，共51页，2022年，5月20日，2点24分，星期五(c)课程体系的延续几何光学物理光学激光原理与技术激光器件与设计激光与物

6、质相互作用激光工程试验激光光谱第13页，共51页，2022年，5月20日，2点24分，星期五(d)激光及激光应用与诺贝尔奖 1964：量子电子学、微波量子振荡器、激光美国的汤斯、苏联的巴索夫和普洛霍洛夫美籍荷兰人的布洛姆伯根、美国的肖洛,瑞典的西格班1981：激光光谱学与 电子光谱学第14页，共51页，2022年，5月20日，2点24分，星期五1997：激光冷却、 捕获原子美籍华人朱棣文、美国的菲利普斯、法国的塔罗基1999：化学反应飞秒光谱学仲冬平，我校85届激光物理专业毕业生，2009年度华人物理学会“杰出青年研究奖”。 (d)激光及激光应用与诺贝尔奖（2） 第15页，共51页，2022年

7、，5月20日，2点24分，星期五1.3 课程研究对象 重点关注：激光与物质相互作用过程中所发生的能量转换以及所引起的各种力学、物理、化学和生物效应等基本物理过程。超快超强激光与物质生物组织等离子体物质凝聚相到气相激光第16页，共51页，2022年，5月20日，2点24分，星期五二、激光与物质相互作用的发展 高强度激光束在加热金属材料的过程中，会产生温升，相变，熔化，汽化，热压缩激波，蒸汽喷射，等离子体膨胀，波冲击等复杂的物理现象，应用不同的物理现象可是实现不同的激光加工应用。第17页，共51页，2022年，5月20日，2点24分，星期五2.1 激光升温与相变应用（1）轧辊激光表面相变硬化钢轨激

8、光表面强化 激光照射材料材料反射与吸收温度快速升高奥氏体转变快速冷却马氏体转变第18页，共51页，2022年，5月20日，2点24分，星期五2.1 激光升温与相变应用（2）硅退火工艺原理图大尺寸多晶太阳电池板装置 准分子激光退火及再结晶后形成的高度有序的多结晶硅层 太阳能应用第19页，共51页，2022年，5月20日，2点24分，星期五2.2 激光熔化a. 热导焊基本原理（低功率密度） b.激光深熔焊原理（高功率密度） 第20页，共51页，2022年，5月20日，2点24分，星期五激光熔化焊接应用汽车安全气囊 金刚石锯片金刚石钻头 第21页，共51页，2022年，5月20日，2点24分，星期五

9、2.3 激光气化及应用（1）激光照射材料材料反射与吸收温度快速升高材料熔化气化激光烧蚀 材料去除第22页，共51页，2022年，5月20日，2点24分，星期五2.3 激光气化应用（2）Cutting directionAssistant gasnozzleSpace between nozzle & workpieceMelt materialCutting slotGas flow第23页，共51页，2022年，5月20日，2点24分，星期五2.4 激光化学与立体光造型 激光化学：激光携带着高度集中而均匀的能量，可精确地打在分子的键上，比如利用不同波长的紫外激光，打在硫化氢等分子上，改变两激

10、光束的相位差，则控制了该分子的断裂过程。也可利用改变激光脉冲波形的方法，十分精确和有效地把能量打在分子身上， 触发某种预期的反应。 激光制药是激光化学第一个得益的领域。应用激光化学技术，不仅能加速药物的合成，而又可把不需要的副产品剔在一旁，使得某些药物变得更安全可靠。第24页，共51页，2022年，5月20日，2点24分，星期五小零件飞秒激光诱导令石墨转变为金刚石结构 物理评论聚焦2008年22卷8月1日 紫外光固化 快速成型2010，获得国家科技进步一等奖第25页，共51页，2022年，5月20日，2点24分，星期五2.5 激光作用等离子体第26页，共51页，2022年，5月20日，2点24

11、分，星期五激光等离子体模拟particle electron densityfluid temperaturemagnetic fieldelectric field第27页，共51页，2022年，5月20日，2点24分，星期五激光等离子体及应用1-沉积薄膜脉冲激光沉积光电功能薄膜材料第28页，共51页，2022年，5月20日，2点24分，星期五激光等离子体及应用2-冲击强化能大大提高材料的耐磨性、疲劳寿命和耐腐蚀性；能对钛、铝等合金进行有效强化第29页，共51页，2022年，5月20日，2点24分，星期五激光等离子体及应用3激光推进高效率、低成本发射微纳卫星；卫星轨道维持及变轨第30页，共5

12、1页，2022年，5月20日，2点24分，星期五激光等离子体应用激光推进 运行中的光船。所见亮光是在飞行器边缘下方燃烧的空气。 当激光器发射脉冲时，会不断加热空气直至燃烧。空气燃烧会产生闪光 2010年新一期英国自然光子学（Nature Photonics）杂志刊登报告说，瑞士等国研究人员向空气中发射一种高能量短脉冲激光，它会使照射路径上的氮气分子和氧气分子离子化。这些离子化的空气分子就成为天然的凝结核，促使水蒸气凝结为水滴。 第31页，共51页，2022年，5月20日，2点24分，星期五激光生物医学临床治疗医学测量和诊断显微外科手术 激光手术刀、治疗视网膜裂孔、眼底病变、矫正屈光不正，清除血

13、管堵塞物，激光结合光敏药物治疗恶性肿瘤，激光美容等。 激光多普勒流速计可以用非接触地法测量血流速度；激光流式细胞计技术能对大量细胞的多项指标进行快速测定；激光光谱分析法大大提高了分辨率、灵敏度；激光全息、激光透照等有独特的检查效果。 激光聚焦照射并摧毁活细胞体内的某个区域；激光诱导细胞融合；激光裁剪DNA生物大分子等。2.6 激光与生物医学第32页，共51页，2022年，5月20日，2点24分，星期五激光与生物医学激光美容激光矫正近视激光手术第33页，共51页，2022年，5月20日，2点24分，星期五2.7 超快超强激光特性 超快超强激光主要以飞秒激光的研究与应用为主，作为一种独特的科学研究

14、的工具和手段，飞秒激光的主要应用可以概括为三个方面： 超快领域内的应用 超强领域内的应用 超微细加工中的应用 飞秒激光在超快现象研究领域中所起到的是一种快速过程诊断的作用。飞秒激光尤如一个极为精细的时钟和一架超高速的“相机”可以将自然界中特别是原子、分子水平上的一些快速过程分析、记录下来。第34页，共51页，2022年，5月20日，2点24分，星期五 飞秒激光在超强领域中的应用(又称为强场物理)归因于具有一定能量的飞秒脉冲的峰值功率和光强可以非常之高。这样的强光所对应的电磁场会远大于原子中的库仑场，从而很容易地将原子中的电子统统剥落出去。因此，飞秒激光是研究原子，分子体系高阶非线性、多光子过程

15、的重要工具。与飞秒激光相应的能量密度只有在核爆炸中才可能存在。飞秒强光可以用来产生相干X射线和其它极短波长的光，可以用于受控核聚变的研究。第35页，共51页，2022年，5月20日，2点24分，星期五飞秒激光用于超微细加工 超短、超强和高聚焦能力是飞秒激光的3大特点。 飞秒激光脉宽可短至4 fs(1 fs=10-15 s)以内，峰值功率高达拍瓦量级(1 Pw=1015w)聚焦功率密度达到1020-1022 Wcm2。飞秒激光可以将其能量全部、快速、准确地集中在限定的作用区域，实现对玻璃、陶瓷、半导体、塑料、聚合物、树脂等材料的微纳尺寸加工，具有其它激光加工无法比拟的优势：耗能低，无热熔区，冷加

16、工；可加工的材料广泛：从金属到非金属再到生物细胞组织，甚至是细胞内的线粒体；高精度、高质量、高分辨率，加工区域可小于焦斑尺寸，突破衍射极限；对环境没有特殊要求，无污染。 第36页，共51页，2022年，5月20日，2点24分，星期五超快超强激光及应用1999年诺贝尔化学奖授予埃及和美国双重国籍的物理化学和化学物理学家Ahmed H.Zewail使人类第一次在原子和电子的层面上观察到这一超快运动过程。超高速探测飞秒化学第37页，共51页，2022年，5月20日，2点24分，星期五高次谐波以及阿秒脉冲的产生第38页，共51页，2022年，5月20日，2点24分，星期五超快激光精密微制造第39页，共

17、51页，2022年，5月20日，2点24分，星期五飞秒激光微加工MEMS新技术第40页，共51页，2022年，5月20日，2点24分，星期五2.8 高功率脉冲太赫兹光源 解决太赫兹技术应用瓶颈：高功率光源频率：0.1THz 10 THz（ 0.03 mm 3 mm)第41页，共51页，2022年，5月20日，2点24分，星期五1985年贝尔实验室的朱隶文小组用三对方向相反的激光束照射钠原子，6束激光交汇处的钠原子团被冷却，温度达到240k。 1997年朱隶文，塔罗基，和菲利普斯因此而获诺贝尔物理奖xyz光学粘团原子吸收光子，动量减小2.9 激光冷却与原子捕获第42页，共51页，2022年，5月

18、20日，2点24分，星期五三、课程相关信息从事基础理论研究；解决应用问题；通过本课程的学习，使学生掌握激光与物质相互作用过程中的物理基础，了解其相关应用，能解释和解决激光应用过程中产生的现象和问题，为从事激光技术、激光加工、激光合成新材料、激光军事应用与激光生物医学等研究与工作打下良好的基础。3.1 课程目的第43页，共51页，2022年，5月20日，2点24分，星期五3.2 课程特色 交叉性强：与材料、物理、生物等学科交叉，培养学生的综合思考能力；时代性强：结合当前学科发展动态，将最新的科研成果融入教学中来；启发式教育：培养学生的创新能力；信息量大：扩大学生的知识面；通俗易懂：配合采用图片、

19、动画、视频等多媒体技术来讲解。第44页，共51页，2022年，5月20日，2点24分，星期五3.3 基本教学内容与学时安排（1）第一章 绪论（2学时）第二章 激光与物质相互作用基础（4学时） 2.1 材料的吸收 2.2 激光热源模型及温度场第三章 激光辐照下的热效应及应用（8学时） 3.1 激光相变及应用 3.2 激光熔化及凝固 3.3 激光气化及应用 3.4光化学与热化学作用第45页，共51页，2022年，5月20日，2点24分，星期五3.3 基本教学内容与学时安排（2）第四章 光致等离子体及应用（8学时） 4.1 等离子体的特性及产生 4.2 激光与等离子体中相互作用 4.3 等离子体的诊

20、断技术 4.4 激光等离子体力学效应及应用第五章 超快超强激光与物质相互作用及应用（4学时） 5.1 超快超强激光与物质相互作用基础 5.2 超快超强激光与物质相互作用应用第46页，共51页，2022年，5月20日，2点24分，星期五3.3 基本教学内容与学时安排（3）第六章 激光与生物材料相互作用（4学时） 6.1 生物组织的光学性质 6.2 激光与生物组织相互作用机理 6.3 激光医学应用第七章 激光与物质相互作用的新理论、新方法及新应用（2学时） 7.1 激光制冷 7.2 激光约束核聚焦 第47页，共51页，2022年，5月20日，2点24分，星期五3.4 本课程的相关信息课程性质：激光科学与工程方向限选课学时与学分：32/2;先修课程：大学物理